Ugrás a tartalomhoz

A polimertechnika alapjai

Czvikovszky Tibor, Nagy Péter, Gaál János (2007)

Kempelen Farkas Hallgatói Információs Központ

14.2 A polimer kompozitok erősítő szálai

14.2 A polimer kompozitok erősítő szálai

14.2.1 Az üvegszál

Az üveg, mint szerkezeti anyag, a szilikátok családjába tartozik. Elsősorban szilicium-oxidokból (SiO2) áll, ez adja az üvegek 55–65 %-át. Emellett tartalmaz egyéb fémoxidokat is, főleg CaO, Al2O3, MgO, Na2O, B2O3 alkotókat – de ezek az oxidok együtt a sziliciummal lényegében egyetlen óriásmolekulává egyesülnek, mégpedig elsődleges (primer), és nagy kohéziós energiát képviselő kovalens- és ionos kötésekkel. Ezek után nem indokolatlan az üveget is egyfajta különleges polimernek tekintenünk. Ezt a polimer jelleget tükrözi az üveg olvadék viszkózusan folyó ömledék karaktere, az amorf vagy krisztallin formában megszilárduló anyag szerkezetének függése az orientációtól és sok más vonás. Az ömledékből megfelelő fonófejen át nagyszilárdságú szálat húzhatunk, rendszerint 103 nagyságrendű elemi szálból álló köteg (roving) formájában. Az elemi szálak átmérője 10 µm vagy aközeli (8–14 µm). A műszaki célú üvegszál tipikus megjelenési formáit a 14.1 ábra mutatja.

A kompozit célú üvegszál tipikus megjelenési formái

14.1 ábra:A kompozit célú üvegszál tipikus megjelenési formái a) vágott üvegszál paplan, b) üvegfonal, c) roving, d) üvegszövet

A polimerkompozitok erősítő szálainak tipikus adatait a 14.1 táblázat mutatja be.

Az üvegszál felületkezelést igényel. Egyrészről meg kell védeni a szövés, fonás és egyéb feldolgozás során esetleg fellépő károsodástól: ezt írezésnek (sizing) hívják. Az írezőanyagok feladata tehát ideiglenes védelem, összetartás. Másfelől biztosítani kell az üvegszál és polimer matrix között határfelületi kapcsolódást, lehetőleg minél több elsődleges kötéssel. Ezt epoxivegyületek, vinilszilánok, esetleg fenolgyanta típusú kapcsolószerek (coupling agent, Hafvermittler) felvitele biztosítja.

14.1. táblázat - Kompozit erősítőszálak szilárdsága

Száltípus

Sűrűség (ρ)

g/cm3

Szakítószilárdság (σ)

GPa

Rugalmassági modulus (E)

GPa

Szakadási nyúlás (ε)

%

Fajlagos szakadási hossz (σ/ρ)

km

Üvegszál (E tipus)2,602,5724,896
Grafitszál (HS)1,783,42401,4190
Aramid (KEVLAR 49)1,443,3753,6230
Polietilén(SK 66) (HOPE)0,973,3993,7340
Acélhuzal7,864,02101,150

14.2.2 A karbonszál

A szén kapcsolódási módjainak sokoldalúsága, a sokféle rendezettségi forma, amelyet a szénláncok képeznek, a polimerek műszaki anyagtudományának középpontjában áll. A szintetikus polimerek műszaki tulajdonságait, a polimerlánc szilárdságát a szén-szén kötések szilárdsága biztosítja. A legnagyobb szén-szén kötőerő a legszigorúbb rendezett szénrendszerben közismert: a gyémánt a maga kovalens kötésrendszerével, legmagasabb szintű rendezettségével a keménység mértékévé, etalonjává vált. A nagy fajlagos felületű korom, mint a gumi kompozitok aktív – kémiailag is kötődő – töltőanyaga, szintén régóta ismert. A szénből megalkotott erősítőszálban a szén grafitos szerkezetét hasznosítjuk.

A grafitszerkezet a hatszögletű egységekből felépített lamellák síkjának irányában Ec_ rendkívüli szilárdságot biztosít.

A grafit szerkezete

14.2 ábra:A grafit szerkezete [14.10]

A karbonszálakban ezt a rendkívüli grafit-szilárdságot és az ezzel párosuló igen nagy moduluszt használjuk ki kompozit erősítésben.

A karbonszálgyártás előterméke (prekurzor) több féle polimerszál is lehet, ha azt úgy tudjuk elszenesíteni (karbonizálni majd grafitosítani), hogy közben ne olvadjon meg, ne égjen el, és a kívánt szénszerkezet alakuljon ki. Korábban főleg

  • poliakrilnitril (PAN) és

  • regenerált cellulóz (műselyem, viszkóz) szálat alkalmaztak prekurzorként. Ma a második helyen a

  • kátrányalapú szál (prekurzor) áll.

A PAN-szál alapú grafitszál gyártás technológiáját a 14.3 ábra mutatja be, amelyet 1997 óta Magyarországon is alkalmaznak.

Az eljárás főbb lépései:

  • stabilizálás: enyhe oxidáció max. 250 °C-ig, amelyben a szál elszenesedik, de nem olvad meg,

  • karbonizáció: 250–1500 °C-ig történő szenesítés, amelyben a szál 90 %-ban szénné alakul, N2 (ínert) atmoszférában

  • grafitosítás: 1500–2500 °C-on, szigorúan oxigénmentes atmoszférában, feszített állapotban kialakul a gyakorlatilag tiszta szénből álló grafitos szerkezet.

Karbonszál-gyártás PAN prekurzorból

14.3 ábra:Karbonszál-gyártás PAN prekurzorból [14.10]

A magyar karbonszál-gyártás a Nyergesújfalu-i korszerű, évi 10 000 tonnás PAN szál gyártó kapacitást vette alapul. A karbonszál, amelynek tipikus átmérője 7–8 µm, 40 000 elemi szálat tartalmazó kötegben (tow) készül és kerül karbonizálásra. Az amerikai tulajdonban lévő magyar karbonszálgyár ambíciózus terve, hogy Európa legolcsóbb nagyszilárdságú erősítőszálát olyan nagy mennyiségben hozza forgalomba a 21. század legelején, hogy az valóságos technikai áttörést tegyen lehetővé a polgári célú alkalmazásokban is. Ha ezt sikerül elérni pl. a személygépkocsi alkalmazásokban – Európa egyik kompozitfejlesztési műszaki központja lehetünk.

A kőolaj alapú vagy kőszénkátrány alapú szurokból (pitch) is lehet karbonszál prekurzort készíteni. A sokat ígérő eljárás egyenlőre nem igazán olcsó (a szurok többszörös tisztítási igénye miatt), és kisebb szilárdságú, de jóval nagyobb moduluszú karbonszálat eredményez. A technológia főbb lépései megegyeznek a PAN alapú technológiával.

14.2.3 Az aramid szál

Az aromás poliamidok különleges szerkezetéből adódó szilárdságról és magas hőállóságról már korábban is esett szó (a 4.2 fejezetben).

Az aromás poliamid szálak – a hagyományos /alifás: nem gyűrűs/ poliamid szálakhoz hasonlóan – nagyfokú orientáció (azaz: nyújtás) során nyerik el nagy szilárságukat. Az aramid szálak esetén ez már a folyadékállapotban vagy géles állapotban megjelenő rendeződéssel párosul, amelynek alapján több ilyen termék az ún. folyadékkristályos polimer kategóriájába tartozik.

Alapjában két fő típus ismeretes:

  • a para-kötéssel kapcsolódó aramidok (a benzolgyűrű átellenes pontjaihoz kapcsolódó kötésekkel), és

  • a meta-kötéssel kapcsolódó aramidok, amint azt már bemutattuk. A szál-alakban gyártott aramidok azonban – a különleges nyújtási technológia és az így elérhető nagyfokú orientáció révén, – az aramid tömböknél is jóval nagyobb szilárdságot mutatnak.

A para-kapcsolódású aromás poliamid szálak (KEVLAR, TWARON, TECHNORA) 3000 MPa feletti szakítási szilárdságukkal és 60 ÷ 120 GPa közötti húzó moduluszukkal a legjobb acélhuzalokkal vetekszenek, miközben sűrűségük csak 1,44 g/cm3, s így még a karbonszálnál is könnyebbek. Az aramid szállal erősített kompozit kitűnik rendkívüli szívósságával, ütéssállóságával is. Ez adja az aramid szálak előnyét ütéssel és nyírással szembeni igénybevétel során, pl. golyóálló mellény formájában. Kompozit erősítőanyagként gyakran alkalmazzák karbonszállal együtt, hibrid erősítőrendszerben.

A KEVLAR szálak kitűnő szilárdsága igen jól hasznosul a gumikompozitokban pl. a radiál-gumiabroncsokban. A NOMEX típusú szálból epoxi vagy fenolgyanta kötőanyaggal papírvékony kompozitlemez készíthető, amelyből végső soron különleges kompozitbetét- alkatrész készül: a hullámpapírhoz hasonló küllemű, de igen szilárd méhsejt lemez (honeycomb).

14.2.4 A polietilén szál

Nagy molekulatömegű (106 Dalton) ún. UHMWPE típusból (Ultra-High-Molecular Weight Polyethylene) gél jellegű oldatból kiindulva, és nagymértékű orientációt (nyújtást) alkalmazva igen nagy szilárdságú polietilén szálat lehet előállítani (HOPE: Highly Oriented Polyethylene). Az 1990-es évek technológiájának e vívmánya igen sokat ígérő, hiszen a legolcsóbb alapanyagból, nem túl költséges technológiával rendkívüli szilárdságot hoz ki (l. 14.1 táblázat). Az eljárást még néhány évig szabadalmak védik, így egyelőre a termék igen drága, és csak néhány gyártó nyeri vissza a hosszú idejű fejlesztési munka költségeit. A 3000 MPa feletti szakítási szilárdság, amely a víznél kisebb sűrűséggel párosul, a tömeghez viszonyítva mindenesetre messze meghaladja az acél mutatóit.

A HOPE szálak elterjedését a polimer kompozit technikában egyenlőre két fő tényező gátolja:

  • A PE hőállósága a HOPE esetén is korlátozott. A legmagasabb móltömegű PE is feloldhatóvá, felolvaszthatóvá válik 140 °C-on.

  • A PE csekély kötődése, adhéziója igen nehéz feladat elé állítja a konstruktőrt. A PE-típusok rossz ragaszthatósága közismert. A szál kötődése pedig a legfontosabb kompozit kritérium.

Mindkét korlát kiterjesztésére intenzív fejlesztőmunka folyik. A térhálósítás javíthat a hőállóságon. A felületi maratás, utólagos kopolimerizáció a kötődést javíthatja. A HOPE szálak alkalmazása vegyes erősítőszálakkal (hibrid kompozitban) pl. karbonszállal együtt, epoxi matrixban sokatígérő.

14.2.5 Egyéb erősítőszálak

A polimerkompozitok egyéb erősítőszálai között kiemelhetők a fémszálak. Az acélszálak erősítő funkciója a gumikompozitokban (acélradial gumiabroncs, nyomásálló gumitömlők, szállítószalagok) közismert és jól bevált. Itt is különös figyelmet kell fordítani a határfelületi réteg tapadásközvetítő funkciójára. Ezt gyakran az acélhuzal galvanikus rézbevonatával javítják.

Növekvő jelentőséget kapnak a bórszálak az újabb kompozitokban. Ezt rendszerint bórhalidok redukciójával állítják elő igen vékony wolfram szál mag felhasználásával. Újabban egyre több hőálló erősítő szálat fejlesztenek ki a kvarc-aluminát-bór összetett rendszer alkalmazásával. Ezek a szálak az erősítés mellett villamos vezetőképességet is eredményeznek, ami fontos lehet pl. a repülőgép-szárny vagy kompozit légcsavar villám-állósága szempontjából.